動態(tài)流量法超高真空標準裝置的性能測試
1、基本原理及要求
動態(tài)流量法是用于高真空和超高真空區(qū)間的一種絕對的真空校準真空規(guī)的方法。
動態(tài)流量法是連續(xù)地把已知流量的氣體注入校準室中，通過已知流導(dǎo)的小孔抽氣，在校準室內(nèi)建立起可精確計算的動態(tài)平衡壓力的校準方法。
如果校準室中處于等溫狀態(tài)，氣體分子各向同性，均勻分布，采用前級流量法，則有
Q+Q0-PSg-(P-Pe)C=V△P/△t (1)
式中，Q為注入的氣體流量(Pa·L/s);Q0為校準室內(nèi)表面的放氣速率(L/s);P為校準室內(nèi)的壓力值(Pa);Sg為被校真空規(guī)的抽氣速率(L/s);Pe為抽氣室中的壓力值(Pa);C為校準室出口小孔的流導(dǎo)值(L/s)。V為校準室的體積(L);△P/△t為校準室壓力隨時間的變化速率(Pa/s)。
為了簡化式(1)，應(yīng)滿足如下的基本條件: 1)校準室內(nèi)的表面放氣速率Q0應(yīng)小于最低校準壓力時注入氣體流量Q的1/100；2)抽氣室內(nèi)對小孔的有效抽氣速率Se應(yīng)大于小孔分子流流導(dǎo)C的50倍;3)被校真空規(guī)的總抽氣速率應(yīng)小于校準室出口流導(dǎo)值的1/100;4)在校準過程中，校準室內(nèi)每個校準點的壓力波動小于1/100。
如果滿足這些條件, 則式(1)簡化為
P=Q/C (2)
通過測量氣體流量Q,再由分子流理論計算出小孔的流導(dǎo)值C, 在校準室中就可得到計算的壓力值P。流量Q由恒壓式氣體微流量計測量。通過測量參考室壓力Pf, 活塞的運動速度△L/△t, 由下式計算流量
(3)
式中,Ap 為活塞的橫截面積; TQ為微流量計內(nèi)的氣體溫度; Tr為參考溫度。
2、標準裝置
研制的動態(tài)流量法超高真空標準裝置主要由標準系統(tǒng)、恒壓式氣體微流量計和抽氣系統(tǒng)三部分組成, 如圖1所示。
2.1、校準系統(tǒng)
經(jīng)過調(diào)研, 對國內(nèi)外同類標準進行了分析和研究的基礎(chǔ)上, 提出了物理模型。運用計算機采用蒙特卡羅法和視角系數(shù)法進行了模擬計算和分析。設(shè)計了四球結(jié)構(gòu)的校準系統(tǒng), 它由入口球室、校準室、裸規(guī)校準球室和抽氣室組成。
2.1.1、校準室
校準室采用了球形結(jié)構(gòu), 直徑為500mm。在校準室的赤道位置上, 有10個法蘭孔, 用于被校真空規(guī)的安裝。球形結(jié)構(gòu)是最理想的結(jié)構(gòu)形式, 適合于絕對真空測量。具有如下的特點:
1)因為氣體分在整個球內(nèi)是均勻分布的, 單位時間在單位面積上入射分子數(shù)(分子數(shù)/s·cm2)是相同的。
2)如果從球形結(jié)構(gòu)上某處的入口孔注入按余弦分布的氣流, 并通過出口孔進行抽氣, 由于球中存在定向流動而畸變了各向同性分子流的分布。但是在球形結(jié)構(gòu)中, 這種畸變是容易估算的。如果小孔的面積小于球面面積的1/1000, 球中定向流動的影響可以忽略不計。
3)球形結(jié)構(gòu)上小面積的孔與無限大平面上的孔的性質(zhì)極為近似, 基本符合理想小孔的條件。如果球面對入射分子按余弦定律散射, 小孔的面積遠小于球面面積(1/1000)和小孔厚度遠遠小于小孔的直徑, 那么小孔流導(dǎo)值就能精確計算。
校準室的總體積為0.53 m3, 大于被校規(guī)及連接管道的總體積的60倍。
2.1.2、抽氣室
抽氣室采用直徑為500mm,高度為800mm的圓筒容器,為丁字形結(jié)構(gòu)。抽氣室體積為0.785m3,大于校準室的體積。
2.1.3、入口球室
氣體注入的入口球室位于校準室頂部, 入口孔在校準室赤道的極點上, 并對著校準室內(nèi)壁。當氣體流量注入到入口球室時, 到少與球壁相碰一次再進入校準室中, 減小了分子束流效應(yīng)。然后經(jīng)過校準室與抽氣室之間的小孔由低溫泵抽走, 在校準室中將產(chǎn)生一個動態(tài)平衡壓力。
2.1.4、裸規(guī)校準球室
裸規(guī)校準球室實際上是一個壓力平衡轉(zhuǎn)換器。為了防止入射的氣體分子直接打到規(guī)管的電離區(qū), 設(shè)計了屏蔽檔板, 至少經(jīng)過一次碰撞后才能進入裸規(guī)校準球室。
2.1.5、小孔
小孔是圓形的, 直徑為3.2939cm。小孔橫截面積為8.521 cm2, 不確定度小于0.1%。校準室采用球形, 球的內(nèi)表面積為7854 cm2。小孔橫截面積與球內(nèi)表面積的比值為1.08×10-3,接近于 1/1 000, 基本上滿足標準規(guī)定的要求。小孔邊緣厚度為0. 252mm , 小孔邊緣厚度和孔徑之比值為1/131 小于的1/50, 滿足標準要求。小孔安裝在校準室與抽氣室之間的位置上, 并與校準室內(nèi)切球面相割, 小孔流導(dǎo)C為99.186L/s (N2)。
2. 2、恒壓式氣體微流量計
恒壓式氣體微流量計用于產(chǎn)生已知氣體流量, 通過入口球室注入到校準室中, 為動態(tài)流量法提供標準流量。恒壓式氣體微流量計的測量范圍為2×10-3～10- 8Pa·m3/s, 不確定度小于2%。
2. 3、抽氣系統(tǒng)
抽氣系統(tǒng)由主抽氣系統(tǒng)、前級抽氣機組、管道和閥門組成。主抽氣系統(tǒng)由低溫泵、鈦升華泵、分子泵、濺射離子泵、插板閥等組成。前級抽氣機組由羅茨泵、擋油阱、機械泵等組成。
主抽泵為500mm口徑的制冷機低溫泵，對氮氣(N2)的抽速為16m 3/s, 對小孔的有效抽速為6.6m 3/s, 遠大于小孔流導(dǎo)值的50倍。使低溫泵的抽速波動對小孔流導(dǎo)的影響減小,保證了壓力的測量精度。在獲得極限真空的過程中需要300℃高溫烘烤48h。在主泵上配置了插板閥, 并用一臺抽速為 1.5 m3/s的分子泵作為烘烤時的抽氣泵。同時選用一臺 15m3/s的LN 2冷凍升華泵和一臺0. 4m 3/s的濺射離子泵作為獲得極限真空輔助泵。前級泵是一臺抽速100 m 3/h 的羅茨泵和一臺50 m3/h的雙級旋片泵。
